計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告初稿解析

1、南京郵電大學(xué) 自動化 學(xué)院 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能分析 所在專業(yè)： 自動化 學(xué)生姓名： 王 站 班級學(xué)號： B11050107 任課教師: 程艷云 2013 /2014 學(xué)年第 二 學(xué)期實(shí)驗(yàn)一：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)性能分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.建立計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；2.掌握判別計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般方法 3.觀察控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)，記錄其時域性能指標(biāo)；4.掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時間響應(yīng)分析的一般方法；5.掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線的一般繪制方法。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：考慮如圖1所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 圖1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 1. 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(1)

2、 首先分析該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，討論令系統(tǒng)穩(wěn)定的的取值范圍；解:G1=tf(1,1 1 0);G=c2d(G1,0.01,'zoh');/求系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)rlocus(G);/繪制系統(tǒng)根軌跡將圖片放大得到Z平面的臨界放大系數(shù)由根軌跡與單位圓的交點(diǎn)求得。放大圖片分析：k,poles=rlocfind(G)Select a point in the graphics windowselected_point = 0.9905 + 0.1385ik = 193.6417poles = 0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i得到0<K<19

3、3(2) 假設(shè)不考慮采樣開關(guān)和零階保持器的影響，即看作一連續(xù)系統(tǒng)，討論令系統(tǒng)穩(wěn)定的的取值范圍； 解：G1=tf(1,1 1 0);rlocus(G1);由圖片分析可得，根軌跡在S平面左半面，系統(tǒng)是恒穩(wěn)定的，所以： 0<K<(3) 分析導(dǎo)致上述兩種情況下取值范圍差異的原因。答：連續(xù)系統(tǒng)比離散系統(tǒng)穩(wěn)定性好，加入采樣開關(guān)以后，采樣周期越大，離散系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，能使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的范圍越小。2.時域特性分析令(1) 假設(shè)不考慮采樣開關(guān)和零階保持器的影響，即看作一連續(xù)系統(tǒng)，觀察其單位階躍響應(yīng)，記錄上升時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、峰值時間等一系列的時域性能指標(biāo)；G1=tf(20,1 1 0);s

4、tep(feedback(G1,1); 由圖數(shù)據(jù)：上升時間=0.254s超調(diào)量=70.2調(diào)節(jié)時間=7.82s峰值時間=0.702s(2) 考慮采樣開關(guān)和零階保持器的影響，觀察其單位階躍響應(yīng)，記錄上升時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、峰值時間等一系列的時域性能指標(biāo)；G1=tf(20,1 1 0);G=c2d(G1,0.01,'zoh');Q=step(feedback(G,1);num,den=tfdata(Q); dstep(num,den)上升時間=24.7*T=0.247s超調(diào)量=72.8調(diào)節(jié)時間=857*T=8.57s峰值時間=71*T=0.71s(3) 分析其時域性能指標(biāo)的差異及

5、產(chǎn)生原因。由于采樣開關(guān)和零階保持器的存在，使得離散系統(tǒng)的時域響應(yīng)與連續(xù)系統(tǒng)相比發(fā)生變化，穩(wěn)定性相對降低，動態(tài)性能相對變差。3.頻域特性分析(1) 假設(shè)不考慮采樣開關(guān)和零階保持器的影響，即看作一連續(xù)系統(tǒng)，繪制其頻率特性響應(yīng)；G1=tf(1,1 1 0);bode(G1)(2) 考慮采樣開關(guān)和零階保持器的影響，繪制其頻率特性響應(yīng)；w=logspace(-1,10);dbode(1,1 1 0,0.01,w)(2) 討論上述兩種情況下頻率特性響應(yīng)的區(qū)別和聯(lián)系。G1=tf(1,1 1 0);bode(G1)hold onw=logspace(-1,10);dbode(1,1 1 0,0.01,w)頻率

6、特性對比:1、頻率特性是w的周期函數(shù)，當(dāng)wT沿著單位圓每轉(zhuǎn)一周時，頻率特性周期性重復(fù)一次，這是連續(xù)系統(tǒng)沒有的。2、幅頻特性是w的偶函數(shù)，相頻特性是w的奇函數(shù)，連續(xù)系統(tǒng)也有這個特性。3、離散環(huán)節(jié)頻率特性形狀與連續(xù)系統(tǒng)頻率特性形狀有較大差別，特別是當(dāng)采樣周期較大以及頻率較高時，由于混疊，使頻率特性形狀有較大變化，主要表現(xiàn)有:高頻時會出現(xiàn)多個峰值；可能出現(xiàn)正相位；僅在較小的采樣周期或低頻段與連續(xù)系統(tǒng)頻率特性相接近。南京郵電大學(xué) 自動化 學(xué)院 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)名稱： 數(shù)字PID控制 所在專業(yè)： 自動化 學(xué)生姓名： 王 站 班級學(xué)號： B11050107 任課教師: 程艷云

7、 2013 /2014 學(xué)年第 二 學(xué)期實(shí)驗(yàn)二 數(shù)字PID控制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響。2研究采樣周期T對系統(tǒng)特性的影響。3研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺2PC計(jì)算機(jī)一臺三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如3-1圖。圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1） Gp2（s）=1/（s（0.1s+1）2開環(huán)系統(tǒng)（被控制對象）的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3，其中圖3-2對應(yīng)GP1（s）,圖3-3對應(yīng)Gp2

8、（s）。 圖3-2 開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 圖3-3開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖23被控對象GP1（s）為“0型”系統(tǒng)，采用PI控制或PID控制，可系統(tǒng)變?yōu)椤癐型”系統(tǒng)，被控對象Gp2（s）為“I型”系統(tǒng)，采用PI控制或PID控制可使系統(tǒng)變成“II型”系統(tǒng)。 4當(dāng)r（t）=1（t）時（實(shí)際是方波），研究其過渡過程。 5PI調(diào)節(jié)器及PID調(diào)節(jié)器的增益 Gc（s）=Kp（1+K1/s） =KpK1(（1/k1）s+1) /s =K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）不難看出PI調(diào)節(jié)器的增益K=KpKi，因此在改變Ki時，同時改變了閉環(huán)增益K，如果不想改變K,則應(yīng)相應(yīng)改變Kp。采用PID調(diào)節(jié)器相

9、同。6“II型”系統(tǒng)要注意穩(wěn)定性。對于Gp2（s）,若采用PI調(diào)節(jié)器控制，其開環(huán)傳遞函數(shù)為 G（s）=Gc（s）·Gp2（s） =K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）為使用環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足Ti>0.1，即K1<107PID遞推算法 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號為e（t），其輸送信號為u（t）,則離散的遞推算法如下： u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T） q1=Kp（1+（2Kd/T） q2=Kp（Kd/T）T-采樣周期四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-2)。電

10、路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。3.測試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)三數(shù)字PID控制, 鼠標(biāo)單擊鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置窗口。5.輸入?yún)?shù)Kp, Ki, Kd（參考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。6.參數(shù)設(shè)置完成點(diǎn)擊確認(rèn)后觀察響應(yīng)曲線。若不滿意，改變Kp, Ki, Kd的數(shù)值和與其相對應(yīng)的性能指標(biāo)sp、ts的數(shù)值。7.取滿意的Kp,

11、Ki,Kd值，觀查有無穩(wěn)態(tài)誤差。8.斷開電源，連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-3)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容的兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。 9.重復(fù)4-7步驟。10.計(jì)算Kp，Ki，Kd取不同的數(shù)值時對應(yīng)的sp、ts的數(shù)值，測量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及時域性能指標(biāo)，記入表中：實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)%Ts階躍響應(yīng)曲線KpKiKd10000.623如圖110.02113.80.654如圖210.1063.15.8如圖310.05035.21.392如圖410.02015.90.821如圖510.02211.60.69

12、6如圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)%Ts階躍響應(yīng)曲線KpKiKd10000.623如圖110.05095.31.715如圖710.03063.11.569如圖810.020310.840如圖910.02122.40.738如圖10圖1圖2圖3圖4圖5圖6圖7圖8圖9圖10五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1 畫出所做實(shí)驗(yàn)的模擬電路圖。答:所做實(shí)驗(yàn)的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3所示.2 當(dāng)被控對象為Gp1（s）時取過渡過程為最滿意時的Kp, Ki, Kd,畫出校正后的Bode圖，查出相穩(wěn)定裕量g和穿越頻率wc。答: 取kp=1，ki=0.01，kd=1Gc（s）=1+0.02/s+sGp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+

13、1）根據(jù)MATLAB指令：G=tf（5 5 0.1,0.05 0.6 1 0）;bode(G)由伯德圖可以得到：相穩(wěn)定裕量g=96deg，穿越頻率wc=100rad/s3 總結(jié)一種有效的選擇Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度獲得滿意的參數(shù)。答: 根據(jù)給定的參考值kp,ki,kd，運(yùn)用控制變量法，每次保證其中兩個值不變，改變另外的一個值，然后畫出階躍響應(yīng)曲線，通過對比每次得到的曲線，找出較為理想的曲線，即可獲得較為滿意的參數(shù)kp,ki,kd。六、預(yù)習(xí)要求1熟悉PID控制器系統(tǒng)的組成。2熟悉PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。七、PID軟件流程圖圖中 ek為誤差，ek1為上一次的誤差，ek2

14、為誤差的累積和，uk是控制量初始化控制步數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)Point初始化ek，ek1，ek2，uk畫希望值曲線初始化系統(tǒng)輸出希望值start使硬件被控對象初始值輸出等于0采集硬件被控對象的輸出inputf inputf浮點(diǎn)化求ekstartinputfukpek+kiek2+kd(ek-ek1)uk=kpek+kd(ek-ek1)ek1=ek ek2ek2+ek判斷積分分離項(xiàng)判斷uk是否超上下限輸出ukJ+1J<point結(jié)束畫被控對象第J點(diǎn)輸出inputf南京郵電大學(xué) 自動化 學(xué)院 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)名稱： 最小拍控制系統(tǒng) 所在專業(yè)： 自動化 學(xué)生姓名： 王 站

15、 班級學(xué)號： B11050107 任課教師: 程艷云 2013 /2014 學(xué)年第 二 學(xué)期實(shí)驗(yàn)三： 最小拍控制系統(tǒng)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?建立計(jì)算機(jī)最小拍控制系統(tǒng)的一般概念；2掌握有紋波最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法 3觀察無紋波最小拍控制器的設(shè)計(jì)方法；4了解最小拍控制器的優(yōu)缺點(diǎn)；5掌握最小拍控制系統(tǒng)的改進(jìn)方法。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 圖1采樣周期為T=0.1s1. 針對圖一所示的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),考慮輸入為單位速度信號時，進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制算法D(Z)設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)最小拍有紋波系統(tǒng)；第一步：求廣義脈沖傳遞函數(shù)Gs=tf(5,1,1,0);Gz=c2d(Gs,0.1,'zoh');/求解廣義對象的脈沖

16、傳遞函數(shù)Transfer function: 0.02419 z + 0.02339-z2 - 1.905 z + 0.9048Sampling time: 0.1第二步：確定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)由廣義對象的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)得延遲因子為，則應(yīng)包含該延遲因子num,den=c2dm(5,1,1,0,0.1,'zoh') num = 0 0.0242 0.0234den = 1.0000 -1.9048 0.9048 tf2zpk(num) ans = -0.9672由此可得：G(z)沒有單位圓上或圓外的零點(diǎn)tf2zpk(den)ans = 1.00000.9048 由此可得：G(z)

17、包含一個單位圓上極點(diǎn)根據(jù)物理可實(shí)現(xiàn)條件和穩(wěn)定性條件，所以Qez=tf(1 -2 1,1,0,0,0.1);Qz=1-QezTransfer function:2 z - 1- z2Sampling time: 0.1Dz=1/Gz*Qz/(1-Qz)Transfer function: 2 z5 - 4.81 z4 + 3.715 z3 - 0.9048 z2-0.02419 z5 - 0.02498 z4 - 0.0226 z3 + 0.02339 z2Sampling time: 0.1Qz=minreal(Dz*Gz/(1+Dz*Gz); Q=2;t=0:0.1:Q;u=t;plot(0

18、:0.1:Q,u,'r*');hold onyt=lsim(Qz,u,t,0);plot(0:0.1:Q,yt); 2. 討論紋波的生成原因，編程實(shí)現(xiàn)最小拍無紋波系統(tǒng)；紋波產(chǎn)生原因：控制信號u(t)的變化引起輸出的波動根據(jù)物理可實(shí)現(xiàn)條件和穩(wěn)定性條件以及無紋波條件，Qez=tf(1 -1.2666 -0.4668 0.7334,1,0,0,0,0.1);Qz=1-QezTransfer function:1.267 z2 + 0.4668 z - 0.7334- z3Sampling time: 0.1設(shè)計(jì)最小拍無紋波系統(tǒng)控制器Dz=1/Gz*Qz/(1-Qz)Transfer

19、function: 1.267 z7 - 1.946 z6 - 0.4765 z5 + 1.819 z4 - 0.6636 z3-0.02419 z7 - 0.007241 z6 - 0.04092 z5 + 0.006818 z4 + 0.01716 z3Sampling time: 0.1Qz=minreal(Dz*Gz/(1+Dz*Gz);Q=2;t=0:0.1:Q;u=t;plot(0:0.1:Q,u,'r*');hold onyt=lsim(Qz,u,t,0);plot(0:0.1:Q,yt);3. 討論最小拍系統(tǒng)的特點(diǎn)，采取慣性因子法對最小拍控制器加以改進(jìn)，并研究慣

20、性因子對系統(tǒng)性能的影響。最小拍系統(tǒng)的特點(diǎn)：系統(tǒng)對應(yīng)于典型的輸入信號具有最快的響應(yīng)速度，被控量在最短的時間達(dá)到設(shè)定值。局限性：1) 僅適應(yīng)與一種類型的輸入信號 2) 系統(tǒng)參數(shù)變化引起系統(tǒng)極點(diǎn)位置產(chǎn)生偏移，系統(tǒng)動態(tài)性能明顯變壞。 3) 采樣周期的限制。 慣性因子法：基本思想：犧牲有限拍的性質(zhì)為代價，換取系統(tǒng)對不同輸入類型性能皆能獲得比較滿意的控制效果。方法：引進(jìn)慣性因子，改進(jìn)系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，使系統(tǒng)對多種信號的輸入信號都有滿意的響應(yīng)。定義 相當(dāng)于增加單位圓內(nèi)實(shí)軸上的極點(diǎn)。南京郵電大學(xué) 自動化 學(xué)院 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)名稱： 爐溫控制實(shí)驗(yàn) 所在專業(yè)： 自動化 學(xué)生姓

21、名： 王 站 班級學(xué)號： B11050107 任課教師: 程艷云 2013 /2014 學(xué)年第 二 學(xué)期實(shí)驗(yàn)四 爐溫控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。2研究采樣周期T對系統(tǒng)特性的影響。3研究大時間常數(shù)系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)的整定方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺2PC計(jì)算機(jī)一臺3爐溫控制實(shí)驗(yàn)對象一臺三、爐溫控制的基本原理1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖71。圖71 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp（s）=1/（Ts+1）2系統(tǒng)的基本工作原理 整個爐溫控制系統(tǒng)由兩大部分組成，第一部分由計(jì)算機(jī)和A/D&am

22、p;D/A卡組成，主要完成溫度采集、PID運(yùn)算、產(chǎn)生控制可控硅的觸發(fā)脈沖，第二部分由傳感器信號放大，同步脈沖形成，以及觸發(fā)脈沖放大等組成。爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導(dǎo)通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓的可在0140V內(nèi)變化?？煽毓璧膶?dǎo)通角為05CH。溫度傳感是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成的，溫度越高其輸出電壓越小。 外部LED燈的亮滅表示可控硅的導(dǎo)通與閉合的占空比時間，如果爐溫溫度低于設(shè)定值則可控硅導(dǎo)通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。第二部分電路原理圖見附錄一。3PID遞推算法 ： 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號為e（t），其輸送信號為u（t）,則離散的遞

23、推算法如下：Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中ek2是誤差累積和。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1設(shè)定爐子的溫度在一恒定值。2調(diào)整P、I、D各參數(shù)觀察對其有何影響。五、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。2 測試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3 20芯的扁平電纜連接實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控制對象，檢查無誤后，接通實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控 制的電源。開環(huán)控制4在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)七七、爐溫控制, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示

24、區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測量系統(tǒng)響應(yīng)時間Ts和超調(diào)量sp。5 重復(fù)步驟4，改變參數(shù)設(shè)置，觀測波形的變化，記入下表：性能指標(biāo)占空比階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）20%如圖1無無81.22040%如圖2無無75.13060%如圖3無無67.36570%如圖4無無63.114圖1圖2圖3圖4閉環(huán)控制6. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)七七、爐溫控制 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn) 課題參數(shù)設(shè)置對話框，選擇PID，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置爐溫控制對象的給定溫度以及 Ki、Kp、Kd值，點(diǎn)擊確認(rèn)在觀察窗口觀測系統(tǒng)響應(yīng)曲線。測量系統(tǒng)響應(yīng)時間Ts和超 調(diào)量sp。7.重復(fù)步驟6，改變PID參數(shù)，觀測波形的變化，記入下表中：性能指標(biāo)參數(shù)階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd1.000.021.